Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 16
Solución La reacción H 2 O Δ H 1
2
– 2 O 2
se considera a temperatura y presión
específicas. Se debe determinar el porcentaje de vapor de agua que se
separa en hidrógeno y oxígeno.
Suposiciones 1 La composición de equilibrio consiste solamente en H 2 O, H 2
y O 2 , y la disociación en H, OH y O es despreciable. 2 Los constituyentes de
la mezcla son gases ideales.
Análisis Éste es un proceso de disociación que es significativo sólo a temperaturas
muy altas. Por simplicidad, consideramos 1 kmol de H 2 O. Las reacciones
estequiométrica y real en este caso son como sigue:
1
Estequiométrica: H 2 O Δ H 2 2O 2 1por lo tanto n H2 O 1, n H2
1, y n O2
0.52.
Real:
H 2 O ¡ xH 2 O yH 2 zO
123 2
1552553
Balance de H:
Balance de O:
2
1
2x
x
2y ¡ y
2z ¡ z
1
11
x
x2>2
Número total de moles: N total x y z 1.5 0.5x
Presión (en atm): P = 10 kPa = 0.09869 atm (ya que 1 atm = 101.325 kPa).
La constante de equilibrio para la reacción H 2 O Δ H 1
2
– 2 O 2
a 4 000 K está
dada en la tabla A-28 como ln K P = –0.542, y por lo tanto, K P = 0.5816.
Suponiendo comportamiento de gas ideal para todos los componentes en la
composición de equilibrio, la relación de constantes de equilibrio en términos
de números de moles se puede expresar en este caso como
n
N
H2
n
H2
N
O2
O2
K P n
N
H2O
a
P n H2
n O2
n H2O
b
2
H2 O N total
Al sustituir,
0.5816
reactivos
(residuos)
11 x2311 x2>24 1>2
x
Usando un programa de resolución de ecuaciones como EES, o por tanteo, la
x incógnita se determina como
x 0.222
productos
a 0.09869
1.5 0.5x b 1 0.5 1
Es decir, para cada mol de H 2 O que entra a la cámara de reacción, hay sólo
0.222 mol de H 2 O que sale. Por lo tanto, la fracción de vapor de agua que se
disoció en hidrógeno y oxígeno cuando se calentó a 4 000 K es
Fracción de disociación = 1 – x = 1 – 0.222 = 0.778, o 77.8 por ciento
Por lo tanto, se puede producir hidrógeno en caudales importantes calentando
vapor de agua a temperaturas suficientemente altas.
Comentario La disociación de H 2 O en H atómico y O atómico, y el compuesto
OH puede ser significativo a altas temperaturas, y por lo tanto, la primera
suposición es muy simplista. Este problema se puede resolver de manera más
realista considerando todas las reacciones posibles que pueden ocurrir simultáneamente,
como se explica más adelante en este capítulo.
Se utiliza una doble flecha en las ecuaciones de equilibrio como una indicación
de que una reacción química no se detiene cuando se establece el equilibrio
químico; en lugar de eso, ésta continúa avanzando en ambas direcciones
a la misma velocidad. Esto es, en el estado de equilibrio, los reactivos se agotan
a la misma velocidad exactamente a la que son repuestos por los productos
de la reacción inversa.